Yeni bir kimyasal yöntem, atomları benzeri görülmemiş bir hassasiyetle soyarak minyatür, yüksek performanslı bilgisayar çiplerinin önünü açabilir. Kaynak: Shutterstock
Silikon, on yıllardır bilgisayar çiplerine güç veriyor ancak mühendisler bu malzemenin fiziksel sınırlarına giderek daha fazla takılıyor. Elektroniği daha küçük ve daha güçlü yapmak için araştırmacılar, silikonu yeni ultra ince malzemelerle birleştirmenin yollarını araştırıyor.
Bu umut vadeden malzeme gruplarından biri geçiş metali dikalkojenitler (TMD) olarak biliniyor. Önde gelen adaylardan biri de molibden disülfür: üç atom kalınlığında, ortada bir molibden tabakası ve üstte iki kükürt tabakası.
Tek Bir Atom Katmanını Kaldırmak
Geleceğin silikon ve TMD malzemeleri birleştiren transistörleri için üreticilerin atomları seçici olarak yalnızca üst kükürt tabakasından kaldırması gerekebilir, alt tabakalara ise dokunulmamalı.
Yüzey atomlarını kaldırmanın yaygın bir yolu, Güneş ve diğer yıldızlarda bulunan enerjik bir madde hali olan plazmayı kullanıyor. Plazma araştırmaları, ABD Enerji Bakanlığı'nın (DOE) Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarı'nda (PPPL) son 75 yıldır önemli bir odak noktası olmuştur.
Dikkatle kontrol edilen koşullar altında, plazma içindeki parçacıklar bir TMD malzemenin yüzeyine çarpıp atomları koparabiliyor. Burada asıl zorluk, üst tabakadaki kükürt atomlarını çıkarmaya yetecek enerjiyi sağlarken alttaki molibden tabakasına zarar vermemek. Başarı ile hasar arasındaki fark çok küçük olduğu için güvenilir bir süreç geliştirmek zor oldu.
Araştırmacılar, bilgisayar simülasyonları kullanarak molibden disülfürü plazmaya maruz bırakmadan önce oksijen veya florin ile işlemenin bu süreci çok daha kontrollü hale getirebileceğini buldu. Bulgular Journal of Physical Chemistry Letters dergisinde yayınlandı.
Oksijen ve Florin Güvenlik Marjunu Genişletiyor
Simülasyonlar, ön işlemin kükürt atomlarını uzaklaştırmak için gereken enerjiyi önemli ölçüde düşürdüğünü ortaya koydu.
İşlenmemiş bir yüzeyde bir kükürt atomunu sökmek yaklaşık 30 elektron volt enerji gerektiriyor. Bu eşik florin eklendiğinde yaklaşık 10 elektron volta, oksijen kullanıldığında ise yaklaşık 14 elektron volta düşüyor.
Bu fark önemli çünkü plazma iyonlarının hepsi aynı miktarda enerji taşımıyor. Bazıları diğerlerinden daha enerjik. İşlenmemiş bir yüzeyde kükürt atomlarını çıkarma ile alttaki molibden tabakasına zarar verme arasındaki aralık o kadar dar ki bazı iyonların istenmeyen hasara yol açması muhtemel.
Kükürt çıkarma eşiğini 10 veya 14 elektron volta düşürmek daha geniş bir çalışma penceresi yaratıyor. Sonuç olarak üreticiler, malzemenin geri kalanını korurken üst kükürt tabakasını temiz bir şekilde çıkarmada daha fazla esnekliğe sahip olacak.
Kimyaya Bırakmak
Araştırmacılar, atomları kırmak için tamamen fiziksel darbelere güvenmek yerine, sürece yardımcı olması için kimyayı kullanmanın bir yolunu buldu.
Gelen bir iyon oksijenle işlenmiş bir yüzeye çarptığında, iki oksijen atomu yakındaki bir kükürt atomuyla birleşerek kükürt dioksit oluşturabiliyor. Kükürt dioksit kararlı bir gazdır ve doğal olarak yüzeyden ayrılabiliyor. Florin de benzer şekilde davranıyor ve çıkarılması daha kolay olan kükürt-florin bileşikleri oluşturuyor.
Çalışmanın baş yazarı, Princeton Üniversitesi'nde kimya yüksek lisans öğrencisi ve 2025 yazında PPPL'de çalışan Yury Polyachenko, “Bağları doğrudan kırmıyoruz” diyor. “Kükürt dioksit gibi bazı ara ürünler oluşturuyoruz. Bu ara ürünü koparmak çok daha kolay.”
Yöntemi Diğer Malzemelere Genişletmek
Araştırmacılar, etkilerini daha iyi anlamak için tekniği incelemeye devam etmeyi planlıyor.
Polyachenko, “Bir sonraki adım, sürecin ne kadar hasara yol açtığını anlamak, sadece hasara yol açıp açmadığını değil” diye ekliyor. “Bundan sonra aynı yaklaşımın ilgili malzemelerde işe yarayıp yaramadığını görmek istiyoruz: molibden yerine tungsten, kükürt yerine selenyum koyarak bu fikrin ne kadar geniş uygulanabileceğini bulmak.”
Araştırma ekibinde ayrıca PPPL'den Igor Kaganovich ve Shoaib Khalid ile PPPL mezunu Yuri Barsukov da yer aldı.
Çalışma, DOE, Bilim Ofisi, Füzyon Enerjisi Bilimleri ve Temel Enerji Bilimleri tarafından Uç Litografi ve Malzeme İnovasyon Merkezi (Microelectronics Science Research Center) kapsamında DEAC02-09CH11466 sözleşme numarasıyla desteklenmiştir.
Simülasyonlar, DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'ndaki Ulusal Enerji Araştırmaları Bilimsel Hesaplama Merkezi'nde (NERSC) DE-AC02-05CH11231 sözleşmesi kapsamında gerçekleştirilmiştir. Ek hesaplama kaynakları arasında Princeton Üniversitesi'ndeki Stellar, Della ve Tiger kümeleri ile NERSC ödülü BES-ERCAP36136 yer almaktadır.
